Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

75,78

Педерсен

Trans. Roy. Soc., A 207, p. 341, 1907

Колебания струи

74,76

^* From the papers in whitch the surface-tension is no given at 12°C, T₁₂ is calculated by means of the formula T_t=T₀(1-0,0020t) (the temperature-coefficient being known with sufficient accuracy for this purpose)

Во всех приведённых экспериментах использовалась водопроводная вода. Было произведено исследование, имевшее целью выяснить отличия, которые дало бы использование дистиллированной воды вместо водопроводной. С этой целью два больших резервуара были наполнены соответственно водопроводной

и дистиллированной водой. После того как была достигнута одинаковая температура содержимого обоих резервуаров, совершенно одинаковым образом были произведены измерения длины волны в струях, полученных от каждого резервуара. Для этого оба резервуара поочерёдно соединялись с сосудом А (рис. 1) с помощью сифона. Эксперименты, повторенные несколько раз, продемонстрировали отсутствие каких-либо существенных различий между двумя трубками. Этот результат также следовало ожидать, исходя из более ранних исследований коэффициента поверхностного натяжения воды.

Продолжая теперь сравнение значений этой величины с теми, которые получены в других работах, мы не будем пытаться дать полный обзор весьма обширной литературы, посвящённой этому вопросу. В табл. 6 включено лишь несколько результатов, относящихся к исследованиям последних лет, которые содержат наиболее важные данные о коэффициенте поверхностного натяжения.

Эта таблица демонстрирует существенные различия между данными, найденными разными исследователями. Наиболее существенным эффектом, который может служить для объяснения этих различий, является чистота поверхности жидкости, потому что коэффициент поверхностного натяжения очень существенно понижается, когда эта поверхность загрязнена даже исключительно малым количеством посторонних веществ. Эта обстоятельство, однако, не объясняет тех различий, которые были получены авторами, применявшими одинаковые методы очистки поверхности (например, Грунмах и Калэн; Форк и Злобицкий).

Тот факт, что разные авторы (например, Фолькман, Дорсей, Форк), работавшие по различным методикам, получили очень хорошее согласие между результатами отдельных своих экспериментов, представляется свидетельством того, что коэффициент поверхностного натяжения тщательно очищенной поверхности является величиной существенно постоянной. Это предположение, далее, подтверждается тем обстоятельством, что некоторые авторы (Калэн, Дорсей и др.) не нашли сколько-нибудь существенного уменьшения коэффициента поверхностного натяжения в течение времени проведения экспериментов.

Результаты исследований А. Поккельс ¹, Рэлея ² и Ф. Нансена ³ по влиянию загрязнений на поверхностное натяжение воды также убеди тельным образом свидетельствуют в пользу приведённых утверждений.

¹ А. Росkеls. Nature, XLIII, 437; XLVI, 418; XLVIII, 152; Ann. d. Phys., VIII, 854.

² Rayleigh. Phil. Mag., 1899, XLVIII, 321.

³ F. Nansen. Norweg. North. Polar. Exped. Scient. Results, 1900, 10.

Вследствие изложенного выше можно думать, что большая часть рассмотренных отклонений должна объясняться не истинными различиями в величине коэффициента поверхностного натяжения, а различиями методов, использованных при измерении этой величины.

Теперь мы более внимательно продолжим рассмотрение некоторых из упомянутых исследований и сравним их результаты с результатами, полученными в настоящей работе.

Мы начнём с исследований Педерсена, поскольку проведенное им определение коэффициента поверхностного натяжения воды осуществлялось тем же методом (колебания струи), который использовался нами. Педерсен получил, как показывает табл. 6, значение, заметно превышающее (примерно на 2%) найденное в настоящей работе. Поскольку, однако, он не исследовал изменения длины волны, а определил её как некоторое среднее значение на участке струи, расположенном на сравнительно небольшом расстоянии от отверстия, причина расхождений между его и нашими результатами, вероятно, заключается в том, что Педерсен использовал слишком малое значение длины волны (см. стр. 38).

Среди других методов определения коэффициента поверхностного натяжения наиболее часто используются методы капиллярной трубки и капиллярных волн; они представляются наиболее важными.

Из экспериментальных

работ, проводившихся с помощью первого из упомянутых методов, нужно особо отметить работу Фолькмана, имея в виду прекрасную воспроизводимость его результатов, достигнутую благодаря особо тщательному измерению размеров трубок и их промывке. Эта воспроизводимость, независимая от размеров трубок и сорта стекла, не лишает оснований критику результатов, которые можно получить с помощью метода капиллярных трубок. Как видим, Фолькман нашёл значение коэффициента поверхностного натяжения, которое очень мало отличается от полученного автором: различие составляет примерно 0,7%.

Как видно из табл. 6, большое число исследований было в последнее время проведено методом капиллярных волн. Мы видим, что величины, найденные с помощью этого метода, обычно превышают величины, определённые в данной работе. Взаимная согласованность результатов определений искомой величины в различных исследованиях не очень удовлетворительна. По мнению автора, это объясняется тем, что во многих случаях экспериментальные условия существенно не соответствовали предположениям, принятым при выводе теоретических формул. Сейчас мы попробуем показать, что здесь имеется в виду.

Эксперименты, проведенные по упомянутой методике, могут быть подразделены на две группы. В одних экспериментах используются прямолинейно распространяющиеся волны, образованные с помощью колебаний стеклянной пластины, укрепленной на одной из пластин камертона, в других — стоячие волны, полученные в результате интерференции между двумя расходящимися круговыми волнами, создаваемыми двумя булавками, укрепленными на обеих пластинах камертона.

В числе авторов, которые использовали первый метод, только Дорсей и Коловрат-Червинский исследовали значение длины волны на различных расстояниях от генератора. Оба исследователя обнаружили существенные нерегулярности вблизи генератора, причём длина волны зависела от расстояния от пластины камертона и оставалась постоянной на больших расстояниях от неё. Упомянутые авторы, зная об этом эффекте, использовали для определения коэффициента поверхностного натяжения только те волны, которые находились на определённом расстоянии от стеклянной пластинки (Дорсей — 4 см, Коловрат-Червинский — 8 см). Поскольку длина волны вблизи стеклянной пластинки была больше, чем вдали от нее, это может объяснить тот факт, что как Дорсей, так и особенно Коловрат-Червинский нашли для коэффициента поверхностного натяжения более низкие значения, чем другие исследователи, использовавшие тот же самый метод, но не предпринимавшие в этом направлении соответствующих предосторожностей.

Другой метод, использующий стоячие волны, также страдает, как заметил и Коловрат-Червинский, определёнными дефектами. При измерениях длины волны колебаний по прямой, соединяющей упомянутые булавки, удается исследовать только те из волн, которые находятся на таком небольшом расстоянии от булавок, что нельзя обеспечить исключения каких-либо существенно нерегулярных явлений. По этой причине результаты, найденные по указанной методике, не представляются очень надёжными. В частности, очень большие значения коэффициента поверхностного натяжения, полученные в работах Грунмаха, Брюммера и Левенфельда, и значительные расхождения между результатами их отдельных измерений можно, вероятно, объяснить очень малым расстоянием (1,8 см) между булавками, использованными этими исследователями. Калэн, который использовал тот же самый метод, но у которого расстояние между булавками составляло 7 см, также нашёл существенно меньшее значение коэффициента поверхностного натяжения, причём взаимная согласованность его результатов намного превосходила наблюдавшуюся упомянутыми выше авторами.

В результате этого рассмотрения автору не представляется необходимым делать вывод о том, что метод капиллярных волн в действительности даёт для коэффициента поверхностного натяжения значения, существенно более высокие, чем те, которые были найдены по методу, описанному в настоящей статье.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе для определения величины коэффициента поверхностного натяжения воды использован метод колебаний струи, предложенный Рэлеем. Этот метод имеет фундаментальные преимущества, связанные с тем, что в исследованиях изучается свежеобразованная поверхность,